等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

不同加载速率下X型节理间相互干涉对岩体力学特性影响

X型节理岩体广泛分布于自然界,准确认识不同加载速率下X型节理岩体破裂失效机制对相关岩体工程的科学评价至关重要。文中通过制作X型节理岩体相似材料试件,改变主次相交节理的几何特征及加载速率,采用DIC技术实时监测主次节理尖端扩展,研究X型节理间相互干涉对岩体力学特性的影响规律。结果表明,不同加载速率下X型节理间的干涉效应对弹性变形阶段及屈服阶段的力学特性具有显著影响。对于含45°主节理的同倾向X型节理岩体,随着次节理倾角的增大,岩体起裂强度先减小后增大;而对于反倾向X型节理岩体,随着次节理倾角的增大,岩体起裂强度先增大后减小,且β=120°时干涉效应最强,其加载速率效应也先增大后减小。     

节理岩体边坡破坏路径的等效计算研究

节理岩体的破裂路径一直是岩石力学及工程地质领域的一个热点及难点问题,如何快速、准确地计算岩体的破裂路径,具有重大的理论及工程意义。引入流场理论,将应力在岩体中的传递过程等效为流体的流动,提出一种基于流场理论的节理岩体破裂路径等效分析计算方法。首选,基本等效分析原理,从理论上验证了流场理论应用于节理岩体应力场计算的可行性;然后,利用绕流理论,对节理应力场的分布进行流场分析,表明节理端部存在流场的扰流区域及反向流动区域,从流场的角度验证了节理端部的应力集中及拉应力区的形成;最后,根据流场集中区分布,提出了节理破裂路径的确定方法,并通过试验验证了基于流场理论的节理岩体破裂路径计算方法。     

基于力学等效的岩体关键节理迹长阈值研究

为了在复杂节理网络中获得关键节理,为结构面选择性测量提供科学定量标准,实现节理网络的简化,以迹长为变量研究关键节理迹长阈值。采用3D打印技术,并根据Monte Carlo理论制备随机节理网络模型,浇筑成100 mm×20 mm×100 mm平板试样,在单轴压缩作用下对类岩体完整性系数、强度、变形和能量特性进行了分析,基于节理岩体力学等效原理,研究确定关键节理的迹长阈值。研究结果表明：(1)节理迹长是影响试样力学特性的核心要素之一。当剔除小于某一长度节理时,试样强度、变形和能量特性均无显著变化。(2)基于主成分分析和高斯混合模型聚类算法,建立节理岩体力学等效分析方法,实现鉴于多种力学参数岩体质量分类,进而对比力学不等效试样节理网络差异,形成一套关键节理迹长阈值研究方法。(3)综合考虑9种物理力学参数,认为试样边长的19%为关键节理的迹长阈值,对试样力学特性影响显著,为未来人工智能分析节理岩体工程如何科学取舍节理提供理论依据。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

 为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。     

裂隙岩体精细结构描述及工程特性数值试验

 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用裂隙网络随机模拟技术,建立工程裂隙岩体的数字化岩体模型,并编制程序实现自动化建模。利用GeoCAAS程序进行裂隙岩体数值试验研究,发展了研究裂隙岩体的力学和水力学特性以及两者关系的方法。主要探讨裂隙岩体变形模量和渗透系数随裂隙迹长变化而演化的规律,并进一步分析变形模量和渗透系数之间的关系。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。     

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来,分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析,获得了与现场实测数据比较吻合的结果。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。